本文译自Jeff Hecht所撰写的The Remarkable Fiber Optic Vision Of Charles Kao一文，文章发表在Optics & Photonics News, 2019, 30(3):26–33上。文章回顾了高锟先生对光通信的贡献，翻译目的为分享知识，欢迎指正。如有侵权，请告知删除。点击文末原文链接可以阅读英文原文。     高锟在英国哈洛(Harlow)的标准电信实验室(Standard Telecommunications Labs，个人注：原文为Stanford，似乎是错误的）测量熔融石英的透明度。[Nortel和BNR Eurorpe/由Jeff Hecht提供图片] 通信似乎是1960年新诞生的激光的一个明显用途。电话流量多年来一直在增长，电视也变得司空见惯。电信运营商似乎对带宽有着无尽的渴望。长途电话流量已经超过了铜缆的增长速度，自20世纪50年代初以来，他们一直在安装微波中继塔链，以应对不断增长的负载。 即使这样也不够。电话行业正在开发新一代的微波系统，其工作频率为数十GHz，以承载未来的通话量。光学频率为数百THz，因此激光有望得到业界长期发展雄心所需的更大带宽。一个例子是“Picturephone（图像电话）”—贝尔实验室正在开发的一种未来视频电话系统，它需要相当于96个语音电话电路。  1964年，美国新泽西州Holmdel的贝尔实验室，L.H. Meacham在实验性的图像电话上交谈。[经诺基亚公司和AT&T档案许可使用] 一旦有了激光可以使用，通信研究人员就开始研究激光在各种介质中的传输。空气证明远不理想，所以他们尝试了与正在研制中的用于60 GHz传输的空芯金属波导相对应的光波导。当未来的OSA会士而当时为贝尔实验室的年轻科学家Ivan Kaminow建议使用光纤作为光波导传输光时，他的老板Rudolf Kompfner问他现有的最好的玻璃有多透明。 Kaminow在《化学与物理手册》(Handbook of Chemistry and Physics) 所列内容中能找到的最透明的玻璃是二氧化硅，其损耗约为1 dB/m。这意味着光功率每10米会下降10倍，所以Kompfner告诉他不要再考虑了。 当时这似乎是一个明智的决定。然而，几年后，已故的高锟 (Charles Kuen Kao) 将会提出了一个不同的问题：玻璃究竟能做的多透明？他得到的答案将带他引发一场技术革命—并获得一项诺贝尔奖。 20世纪60年代的电话业高锟曾在标准电信实验室 (Standard Telecommunications Laboratories, STL)工作，STL是国际电话电报公司（International Telephone and Telegraph Corp.）所有的英国研究中心。这与贝尔实验室是一个不同的世界，后者是世界领先、资金最雄厚的工业研究实验室，由世界最大的电话公司美国大公司AT&T拥有。尽管按照英国标准，STL的母公司规模很大，但其主要客户是相对呆板的政府邮政、电话和电报机构，它们运营大部分的全国电话系统。 1960年，美国电话业达到80%的家庭，这是它1940年所提供40%服务的两倍。价格高昂的长途电话流量增长势头迅猛，AT&T于1959年推出家庭使用的时尚公主手机 (Princess phone)。在1964年纽约世界博览会上首次亮相的Picturephone是一个大胆的赌注：美国公众将用新的视频电话取代陈旧的语音电话，正如家庭娱乐已经从从收音机转向电视。 美国政府长期以来对电话系统作为一种自然垄断进行监管，限制价格但保证利润并要求AT&T将它的部分收入投资于研究。那部分研究预算使得贝尔实验室成为开发新型60 GHz传输系统的领导者，这个系统称为毫米波，因为波长为5 mm。5 mm波导管传输多个模式，必须非常小心地铺设在如铁轨那样的弯弧上，以限制损耗。但美国拥有广阔的开放空间，而且成本高昂不是一个受管制的垄断企业的挡路牌。当激光出现了，贝尔自然想到了空芯光波导。 STL考虑光 Alec Reeves最初领导STL的光学研究团队 [Mary Epworth提供图片] 毫米波波导并没有给STL的常驻技术大师Alec Harley Reeves留下深刻印象。Reeves生于1902年，以1938年获得脉冲编码调制专利并研制用于二战期间夜间轰炸的抗干扰雷达而闻名。他很古怪，但是管理层认为他是一位有远见的工程师。 Reeves认为频率更高的光会比毫米波打造更好的通信系统，并让一个小组调查其前景。Charles Eaglesfield计算出一根一英寸的内部镀银的管子受到的损耗只有1.6 dB/km，但实验损耗测量超过125 dB/km。Murray Ramsay提出沿着管子等距布置一系列透镜来制造一个共焦光波导，这也是贝尔实验室在追求的想法。 STL有一个由Antoni Karbowiak领导的独立小组致力于毫米波波导，高锟于1960年加入这个小组。然而，高层管理层几年后就放弃了这个项目，认为毫米波波导在空间受限的英国前景无利可图。相反，他们把注意力转向了承载城镇或郊区之间多路复用电话的小型系统，并调派Karbowiak和高锟去研究光波导。 1961年发表在JOSA上OSA会士Elias Snitzer撰写的两篇论文发现了光纤中的单模传输，这引起了Karbowiak的兴趣。作为一个理论家，Karbowiak喜欢单模传输的简单性，并认识到光纤是与无线电波介质波导相对应的光波导。他还了解多模传输是引起微波波导损耗的原因，并想知道单模传输是否能使光纤成为好的光波导。为了找到答案，他让当时30岁的高锟和年仅25岁的George Hockham去计算单模光纤的特性。 两人首先看了一根沿着外表面导光的裸玻璃光纤的简单情况，其中因为大部分光都存在于空气中，所以损耗很小。但是，玻璃和空气之间的折射率差较大，仅当纤芯直径小于0.2 μm时才允许单模传输—光纤太细难以处理或者将光耦合进去。然而，如果覆有折射率仅比纤芯低百分之一的玻璃，在4 μm纤芯中传输单模的可见光波长是可能的。但这种设计也有它自己的问题：它会将光的传输转移到光纤的玻璃芯中，纤芯中的衰减将限制传输距离。 作为替代方案，Karbowiak设计了一种裸露的丝带状波导，只有波长的一部分厚而有几个波长宽，他计算出可以沿着中心单模传输，吸收损耗仅为几dB/km。他让高锟和Hockham制备和测试带状波导。那时新南威尔士大学为Karbowiak提供了一份担任电气工程系主任的工作，他移民去了澳大利亚。在他离开之前，他警告高锟：用光纤“你是在白费力气”。 高锟发现自己是一个两人小组的组长。带状波导的测试进展并不顺利。当放在一个弯曲的支撑上时，带状波导将氦氖激光器的红光喷洒到整个实验室。”表面波导到此就结束了，因为[有这些损耗]你没有办法使用它，” 高锟在1995年告诉我。 提出正确的问题 George Hockham和高锟在所分享的1978年兰克奖(Rank Prize)的颁奖典礼上。[Mary Epworth提供图片] 这就使包层单模光纤成为高锟和Hockham的最好选择。对于城际电话链路，他们需要将光纤损耗降低到不超过20 dB/km。他们需要确定衰减的主要原因并大大降低其影响。 一个担心的问题是波导结构。毫米波导遭受看似的轻微弯曲和波导本身不规则引起的严重损耗，所以Hockham计算了类似的不规则会在玻璃光纤中引起什么样的损耗。他的结果预测没有什么影响。为了证实这一点，他组装了直径沿长度变化的管状铜波导，然后测量了相对大小与光纤中的光相同的微波的损耗。测量的损耗很低，令人鼓舞。 与此同时，高锟关注的是第二个问题：玻璃的透明度。”我在寻找问题的答案，‘损耗的机理是什么? 这些机理能够完全去除吗？’ 似乎以前没有人真的问过这个问题，“ 高锟在未出版的回忆录《光纤通信历史笔记》(Historical Notes on Optical Fiber Communications) 中写到。事实上，以前没有人需要问这个问题，因为衰减为1 dB/m的玻璃完全足够用于其他用途—例如，成像的光纤束长度不超过几米。 建立使用光纤的依据  STL团队开始量化玻璃内部这两种类型的光损耗—吸收和光散射，并学习如何降低它们。关于散射，Eaglesfield咨询了发表了几篇关于玻璃特性论文的法国研究人员Aniuta Winter。她估计石英中的散射损耗低于5 dB/km，这是令人鼓舞的消息。她可能是向Eaglesfield或高锟指出美国康宁玻璃厂 (Corning Glass Works) 的Robert D. Maurer所发表的1956年的论文（高锟后来引用了这篇论文）的那个人，Maurer估算玻璃中1 μm光的散射约为1 dB/km。 高锟的问题使他找到了Harold Rawson，Rawson是英国谢菲尔德大学一个玻璃研究小组的教授，他解释是杂质引起了吸收。一个叫Fiona Newhouse Steele的学生正在写一篇关于最强的吸收体—铁—的博士论文，铁是瓶子和窗户玻璃中浅绿色的来源。Rawson提到一篇Steele和R. W. Douglas所撰写的描述她的观测结果的论文，并告诉高锟提纯能够将玻璃的吸收降低到20 dB/km。 这让高锟有了利用光纤进行光通信的足够依据。他于1966年1月在伦敦的电气工程师学会 (Institution of Electrical Engineers, IEE) 做了一个报告，并与Hockham写了一篇现在非常著名的论文，发表在1966年7月的Proceedings of the IEE上。STL的一篇新闻稿说，单模光纤的1 GHz带宽可以承载200个电视频道或20万个电话交谈。 但这条新闻只发表了几篇文章，包括英国的《无线世界》(Wireless World) 和美国的《激光聚焦》(Laser Focus) （那时为一份两周一刊的时事通讯）。世界其他地方认为通信的未来是卫星，图像电话，毫米波波导和贝尔实验室在1966年1月的《科学美国人》(Scientific American) 上描述的中空共焦光波导。 然而，有一位关键人物确实注意到了高锟：John Bray，新任命的英国邮政局伦敦研究所的主任。他让一位脾气暴躁但有远见的名为F.F. Roberts的工程师负责光纤通信。Roberts把他的兴趣告诉了康宁的一位来访者，这话传给了康宁的玻璃研究实验室的Maurer，Maurer开始进行研究。 关键的实验同时，STL扩大了其小小的光纤研究小组，并给了高锟一笔钱，让他周游世界以争取别人的兴趣。1995年，他告诉我：“我在试图推销一个梦想。” 高锟拜访了许多玻璃研究人员，但赌注最高的旅行是去贝尔实验室，他认为贝尔实验室的兴趣是使光纤通信起步必不可少的。然而，贝尔的官员认为固体用于通信不够透明。他们说会和材料科学家交谈，但将结构的光通信研究集中于一种新型的使用流动气体透镜将光沿管子聚集的共焦波导。 高锟决定，说服怀疑者最好的办法是用已有的最纯净的玻璃测量体损耗。在那个时代这是一个挑战。光学测量的精度是有限的，而高锟受到的培训是在电气工程方面，而不是光学或计量学。 首先，他尝试使用单光束分光光度计测量一块20 cm的高纯度玻璃的损耗，但仪器的分辨率限制于检测衰减为0.01/cm，或大约4000 dB/km。然后，他和Merwin Jones研制了一种新型双光束分光光度计，开始了一系列测量熔融石英样品的艰苦工作，这是他们知道的最纯的玻璃。 他们花了几个月的时间做实验，分析结果，以及研究细节。刚开始结果看起来太好而显得不太真实—玻璃看起来非常清晰，没有损耗。高锟和Jones知道这并不能说服怀疑者，所以他们回去检查一切。进一步的测量和分析将最好的样品的损耗确定为大约5 dB/km。他们为结果准备了充分的证据并整理成文。 玻璃科学的隐藏人物Aniuta Winter 当我在20世纪90年代写《光之城：光纤光学的故事》(City of Light: The Story of Fiber Optics) 时，很少有女性出现在故事中。所以我特意提到高锟的小组关于玻璃中的光散射咨询了“Winter夫人”。然而，我直到仔细研究了高锟是如何研究玻璃的衰减后才对她进行了深入调查。高锟的评论表明，Winter是一位玻璃专家，她确实是。Aniuta Winter于1907年生于波兰，去法国学习并写了一篇论文1938年出版。她获得法国国籍并与Stanislas Klein结婚。这两人在第二次世界大战期间持美国护照去美国时自称是出生于波兰的犹太裔法国物理学家。Winter继续在玻璃方面做研究工作，于1943年和1944年在三次美国会议上发表论文。 他们后来回到法国，在那里她成了玻璃方面的权威，并以Aniuta Winter和Aniuta Winter-Klein之名发表了大量论文。 玻璃很早就是法国的一个重要行业，Winter在由行业支持的玻璃研究所 (Institute des Verres) 工作，后来法国国家科学研究中心 (French National Center for Scientific Research, CNRS ) 创建了面向研究的玻璃实验室 (Laboratoire des Verres) 并任命她为主任。 马德里康普斯顿大学 (Complutense University of Madrid) 的Maria Calvo于1969年加入了玻璃实验室，回忆说Winter是一位有科学声望的女士，被称为“Winter夫人”。在她去世后，法国科学院于1982年成立了Aniuta Winter-Klein奖，该奖每三年颁发一次，以纪念她。 Fiona Newhouse Steele 当她参与帮助高锟专注于吸收之外的杂质问题的玻璃研究时，Fiona Steele认为自己”虽不可少但也算不上是大人物“ (a little cog in a big wheel)。她很喜欢这项研究，但对高锟的想法将走向何方没有多少概念。 回首往事，她在给我的一封电子邮件中写道：“完成博士学位后不久，我的兴趣转为对很多的东西知之甚少而不是对很少的东西知之甚多 (knowing a little about a lot rather than a lot about a little)，我后来的职业多种多样，最终令人惊讶地在社会科学领域。“ 现在在政府和工业界工作后，她仍然对科学感兴趣。 “高锟让每个人都大吃一惊”  高锟和Jones取得了辉煌的成功。他们的技术推动了玻璃衰减测量灵敏度的前沿，他们的论文发表于1969年4月，说服了许多怀疑者。”高锟让每个人都大吃一惊，” Dave Pearson说，他一直在美国新泽西州默里山( Murray Hill)的贝尔实验室材料小组负责一个低级别的光纤项目。“这是第一次实际测量说，嘿，你们不只是想入非非。” 贝尔为Pearson的光纤小组增加了几个人，并开始认真对待低损耗光纤。 实际的低损耗光纤仍然难以得到，但只是短暂地。贝尔实验室、英国邮政局和其他研究小组将精力集中在制造低损耗光纤上，他们通过提纯复合玻璃而不是从高锟实验中使用的熔融石英开始。一个原因是复合玻璃比高纯度二氧化硅的熔化温度更低，处理起来更容易。另一个原因是将玻璃制成纤芯折射率略高于外部包层的光纤面临的挑战。纯二氧化硅比玻璃中使用的几乎其他材料的折射率都低，因此纤芯中需要掺杂以制成光纤。但掺杂增加了光纤损耗。 是康宁解决了这些问题。Bob Maurer [个人注：人名比较怪，前文一直称Robert Maurer] 决定从熔融石英开始。他邀请两位聪明的年轻物理学家，未来的OSA荣誉会员Donald Keck和OSA高级会员Peter Schultz，以及康宁的老将Frank Zimar加入，Zimar有熔融石英方面的经验和足够热以将熔融石英熔化的熔炉。Maurer在1970年9月底伦敦一个关于毫米波波导的论文占主导地位的会议上宣布了他们的突破。光纤光学是会议结束前的一个讨论环节上提及的。 大多数与会者对毫米波波导—“进步的管道” (“pipes of progress”) —充满信心，它们将是下一代的通信系统。但一位从事光纤方面工作的年轻邮局工程师Richard Dyott站起来宣布：“我很高兴你们能铺设波导，我们将稍后再来将他们填满光纤。“ 他并不足够乐观。毫米波波导从未部署过，在20世纪80年代光纤成为全球通信网络的骨干。 完美的时机高锟和Hockham在1966年的论文中提出在电话网络中的一部分中使用光纤，光缆在跨越约10公里的本地交换局之间的线路上承载数百条的语音线路。回想起来，这似乎是一个谨慎的目标，但在当时这是合理的。 有远见的Alec Harley Reeves看到了更广阔的应用前景。他预测在2020年光纤网络将向家庭传输300 Mbit/s，在主干系统上传输10到20 Gbit/s。他想象陆地和海底的长距离光缆，光纤放大器间隔为2公里布置。(他还预见到袖珍移动电话和计算机化的信息检索代替图书馆。）现在，太平洋光缆 (Pacific Light Cable) 中的六对光纤在香港和南加州之间环球三分之一的距离上以高达144 Tbit/s的速率传输数据以维持云计算。 技术可以领先于时代，也可以落后于时代。Reeves在1938年申请脉冲编码调制专利时走在了时代的前列，脉冲编码调制技术将模拟信号振幅编码为一系列数字脉冲，允许将电话呼叫无失真地进行多路复用并放大。但在一个真空管而不是晶体管的时代，这个概念远远早于有实施它的技术之前就是现成的。 相比之下，用于成像的光纤光学则落后于时代。玻璃光纤发明于19世纪，RCA的C.W. Hansell于1927年申请了一个将光纤捆绑在一起传输图像的专利。Heinrich Lamm，一名德国医科学生，在1930年组装并展示了一个成像的光纤束。一直到20世纪50年代才有人跟进他们的工作，当时有了带有包层的光纤以防止光的泄露。 高锟发明光纤通信的时机是几乎不可思议地完美。他寻找到正确的玻璃专家，提出认识到玻璃潜在清晰度的正确问题。然后，他一丝不苟地进行了测量，其精确度超过以往其他任何人都想证实熔融石英和他预测的一样好所做的尝试。他在康宁找到一家玻璃技术足够好的公司可以制造满足他损耗目标的光纤。在制造出第一根低损耗光纤的两年内，通过将玻璃中的掺杂改为锗康宁将损耗降低到4 dB/km并大大提高了光纤的强度。在1978年，日本电报电话公司 (Nippon Telegraph and Telephone, NTT) 的Masaharu Horiguchi及其同事制备的光纤在1550 nm处惊人地达到了0.2 dB/km的低损耗，这接近了散射引起的损耗理论极限。 其他部分很快就就位了。就在Maurer报告第一个低损耗光纤几个月之前，苏联圣彼得堡（当时是列宁格勒）约飞技术物理研究所 (Ioffe Physical-Technical Institute) 的未来OSA会士Zhores Alferov演示了第一台能够在室温下超过几秒钟发射连续光束的半导体激光器。贝尔实验室花了数年时间改进半导体工艺以制造能持续工作一百万小时的二极管。工程师开发了熔接器和连接器，它们可以讲头发般细的光纤准直得非常好，只有一小部分光损耗掉。 单模被证明是正确的20世纪70年代第一代光纤系统与高锟的计划有一个重大偏离。他偏向于单模光纤，因为它提供更好的导光特性和更高的传输速度，但贝尔实验室推动渐变折射率多模光纤，因为它更大的50 μm纤芯让光纤互连更容易。AT&T赢了那一轮。如高锟计划的那样，第一轮的光纤系统连接了交换局，但使用多模渐变折射率光纤，每根光纤传输45 Mbit/s，这是相当于672个语音电路的数字通道。 然而，多模光纤的时代会很短。单模光纤技术正在迅速成熟。向低损耗1300 nm窗口的转移增加了单模纤芯尺寸，让耦合问题更容易。但是最大的优势是单模光纤比渐变折射率光纤在更长的距离上可以具有更大带宽—最初每秒几百兆比特。到1982年底，MCI已决定采用单模光纤建立其全国的400 Mbit网络。高锟单模光纤的选择证明是正确的。 随着2020年的临近，高锟的远见的力量开始超越了半个世纪以前他和Reeves所能想象的一切。它完全变革了我们的技术社会。如果高锟没有问正确的问题—不是我们今天能做什么，而是明天什么是可能的，它不可能成长得这么快或者这么茁壮。 拓展阅读：空芯光纤的发展 |
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